工程機(jī)械監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

董錕

摘要：針對目前工程機(jī)械設(shè)備依靠人工進(jìn)行信息統(tǒng)計，效率低下且無法保證準(zhǔn)確度的問題，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種工程機(jī)械監(jiān)控設(shè)備。該設(shè)備由電源管理模塊、微控制器、定位及通信模塊、工作狀態(tài)監(jiān)控模塊四部分構(gòu)成。通過實(shí)際測試，該設(shè)備的平均定位時間：30s;定位精度誤差：±3m以內(nèi);速度誤差平均值：2.35%;狀態(tài)監(jiān)測誤差率小于3%，滿足工程機(jī)械監(jiān)控設(shè)備的應(yīng)用需求。與傳統(tǒng)方式相比，提升了工程機(jī)械監(jiān)控的智能化水平和準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械;監(jiān)控;定位;通信;速度;工作狀態(tài)

中圖分類號：TH69? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）32-0222-02

Abstract： Since the current artificial information statistics of construction machinery are low efficiency and inaccuracy， a construction machinery monitoring equipment is designed and implemented. The equipment consists of four parts： power management module， microcontroller module， positioning and communication module， working state monitoring module. Through the actual test， the average positioning time of the equipment is 30s; the positioning accuracy error is within ± 3 meter; the average speed error is 2.35%; the working state monitoring error rate is less than 3%， which meets the application requirements of construction machinery monitoring equipment. Compared with the traditional way， it improves the intelligent level and accuracy of construction machinery monitoring.

Key words：construction machinery; monitoring; position; communication; speed; working state

1 引言

工程機(jī)械主要用于各種建設(shè)工程，通常工作于建筑、橋梁、道路、涵洞等較為惡劣的施工環(huán)境中[1]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)工程機(jī)械年銷售量達(dá)30萬臺左右，市場保有量上百萬臺。然而工程機(jī)械的日常管理目前仍依靠人工進(jìn)行信息統(tǒng)計，工作效率較低且由于統(tǒng)計人員綜合素質(zhì)參差不齊[2-3]，工程機(jī)械的管理效率仍較低[4-5]，急需進(jìn)行智能化改造[6-7]。

智能化工程機(jī)械管理主要需要以下兩種信息：工程機(jī)械實(shí)時工作狀態(tài)，主要有：靜止、怠速、工作三種及工程機(jī)械所處位置信息。管理人員可以通過工程機(jī)械位置信息和實(shí)時工作狀態(tài)，對工程機(jī)械進(jìn)行更科學(xué)合理的調(diào)度、排班等，同時，在發(fā)生突發(fā)情況時，也能夠更好地展開救援。

但目前的智能化工程機(jī)械管理的研究仍處于起步階段，基于此的研究思路和研究方案較多，但均未能給出具體的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方案，同時也無法解決供電、通信等問題。為解決上述問題，筆者設(shè)計了一種工作穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、精確度高的工程機(jī)械監(jiān)控設(shè)備，并提出了其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性和測量的準(zhǔn)確性，具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

2 工程機(jī)械監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計

如圖1所示，工程機(jī)械監(jiān)控設(shè)備主要有以下幾個部分組成：電源管理模塊、微控制器、定位及通信模塊、工作狀態(tài)監(jiān)控模塊。微控制器是設(shè)備的核心，主要功能是：

1）接收工作狀態(tài)監(jiān)控模塊傳回的信息并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計算得出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息;

2）讀取定位及通信模塊的定位數(shù)據(jù)信息、時間數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行解析;

3）將得到的工作狀態(tài)信息、定位數(shù)據(jù)和時間信息等通過通信模塊發(fā)送至服務(wù)器。

整個工程機(jī)械監(jiān)控設(shè)備由電池供電并可通過太陽能進(jìn)行充電從而保證了電池電量、延長了工作時間。

2.1 電源管理模塊

電源管理模塊為工程機(jī)械監(jiān)控設(shè)備提供電能供給，如圖1所示，主要由四部分構(gòu)成：可充電鋰電池、太陽能電池板、充電管理模塊、電源模塊。其中，可充電鋰電池選用大容量、耐高低溫的鋰離子電池從而滿足工程機(jī)械監(jiān)控設(shè)備各種工作環(huán)境，如：嚴(yán)寒地區(qū)、夏季高溫作業(yè)等;太陽能電池板可以在陽光充沛時為鋰電池充電，從而保證設(shè)備的工作時長;但太陽能電池板的輸出電壓和輸出電流隨著日照強(qiáng)度的不同[8]，會有一定幅度變化，為了達(dá)到最大充電效率，選擇了BQ24650作為充電管理芯片，其輸入電壓最高可達(dá)28V，最低為5V，同時，其提供輸入電壓調(diào)節(jié)功能，在輸入電壓低于特定電壓時可降低充電電流從而保證充電的連續(xù)性。電路圖如圖2所示。電源模塊的主要作用是將充電管理模塊的輸出電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定電壓供后續(xù)微控制器、工作狀態(tài)監(jiān)控模塊、定位及通信模塊等使用。

2.2工作狀態(tài)監(jiān)控模塊

工作狀態(tài)監(jiān)控模塊主要為六軸傳感器：MPU6050，其可以提供三軸加速度、三軸角速度數(shù)據(jù)，微控制器在讀取到MPU6050的三軸加速度和三軸角速度數(shù)據(jù)后可以通過四元素法得到工程機(jī)械設(shè)備的偏航角和俯仰角數(shù)據(jù)，根據(jù)偏航角和俯仰角變化幅度結(jié)合速度信息確定設(shè)備處于何種工作狀態(tài)。

2.3 定位及通信模塊

為了減小工程機(jī)械監(jiān)控設(shè)備體積、降低系統(tǒng)整體功耗，本方案選用集成了定位和通信功能的模塊：MC20E為系統(tǒng)提供定位數(shù)據(jù)和通信功能。MC20E具有北斗、GPS定位功能，同時支持GPRS通信功能，滿足了系統(tǒng)整體使用需求，且定位速度快、精度高，GPRS傳輸速率高、傳輸速度穩(wěn)定。MC20E還可以提供設(shè)備的速度信息，結(jié)合六軸傳感器的數(shù)據(jù)計算得來的偏航角和俯仰角變化幅度，微控制器可以確定工程機(jī)械的工作狀態(tài)，具體流程如圖3所示，圖中Change_angle為偏航角和俯仰角變化幅度之和，Speed為速度信息，所涉及的閾值為通過實(shí)驗(yàn)測量和分析確定的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 定位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

定位系統(tǒng)測試方法為：將工程機(jī)械監(jiān)控設(shè)備放到行駛的車輛上，隨機(jī)選擇十個間隔500米的地點(diǎn)，將工程機(jī)械監(jiān)控設(shè)備開機(jī)，分別測試定位時間、定位精度、速度信息并計算誤差，平均數(shù)據(jù)如下：平均定位時間：30s、定位精度誤差：±3m以內(nèi)、速度誤差平均值：2.35%，能夠滿足系統(tǒng)使用需求。

3.2 工作狀態(tài)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果

工作狀態(tài)監(jiān)控測試方法為：將工程機(jī)械監(jiān)控設(shè)備安裝到某一實(shí)際工作中的工程機(jī)械設(shè)備上，記錄工程機(jī)械實(shí)際所處狀態(tài)及持續(xù)時間并與工程機(jī)械監(jiān)控設(shè)備測得的時間比較，計算整體誤差，具體結(jié)果如下，狀態(tài)測試總體誤差小于3%，滿足實(shí)際工作需要。

4 結(jié)論

本課題針對工程機(jī)械工作狀態(tài)及位置檢測的應(yīng)用需求，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種工程機(jī)械監(jiān)控設(shè)備。本設(shè)備通過工作狀態(tài)監(jiān)控模塊和定位及通信模塊實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備工作狀態(tài)及位置信息的監(jiān)測和信息的上傳，通過大容量鋰離子電池和太陽能電池板極大地延長了系統(tǒng)的工作時長。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該設(shè)備具有較高的定位精度和工作狀態(tài)監(jiān)測精度，測量結(jié)果滿足設(shè)備的應(yīng)用需求。

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